Partículas elementales, el campo de Higgs y el Modelo Estándar

Otra excelente conferencia del Instituto de Física Teórica IFT. Con esta conferencia finalmente me queda claro (hasta donde puedo) qué es el campo de Higgs, el bosón de Higgs y qué relación tiene con el Modelo Estándar de la física actual. La conferencia se llama:

La Partícula de Higgs y el Misterio de la Masa (Alberto Casas)

Y ésta es la descripción del video:

El recientemente descubierto bosón de Higgs ocupa un lugar clave en nuestra comprensión del universo y revela secretos íntimos de la naturaleza sobre hechos muy básicos, tan básicos que a menudo ni siquiera pensamos sobre ellos. Sin embargo, tampoco lo explica todo. La naturaleza guarda misterios fascinantes que aún no han sido desvelados. Conferencia de divulgación científica de Alberto Casas, del Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, en el ciclo de conferencias “La frontera de la Física Fundamental”, en la Residencia de Estudiantes, Madrid, el 22 de Noviembre 2013.

Al final puedes ver el video pero antes no puedo dejar de compartir las notas que tomé sobre la conferencia. Estas notas son esencialmente citas o paráfrasis de lo que el profesor Alberto Casas dice en su conferencia, pero vea usted mismo el video para eliminar cualquier error o interpretación errónea que pueda haber puesto yo en estas notas.

Primero, entender lo básico del Modelo Estándar de la física teórica actual. Para lo cual tenemos que entender dos puntos fundamentales: las familias de partículas elementales y las cuatro fuerzas físicas.

Hay muchas partículas elementales, pero las más fundamentales o importantes, y que no parecen tener estructura interna (es decir, no son partículas compuestas), se agrupan en tres familias:

PARTÍCULAS ELEMENTALES SIN ESTRUCTURA INTERNA

PRIMERA FAMILIA:
        e             u                    d                        ve
electrón, quark up, quark down, y el neutrino del electrón.

Estas partículas son las que forman toda la materia que conocemos y que llamamos materia bariónica (compuesta por electrones, protones y neutrones). Los protones y neutrones están compuestos por quarks, así que no entran en esta familia.

SEGUNDA FAMILIA: 
    m             c                         s                             vm
muón, quark charm, quark strange, y el neutrino del muón

Básicamente son iguales a las cuatro partículas anteriores pero tienen más masa. Es decir, el muón es como el electrón pero tiene más masa, el quark charm es como el quark up pero tiene más masa, etc.

TERCERA FAMILIA:
     t,               t,                       b,                           vt
tauón, quark top, quark bottom, y el neutrino del tauón

Igual que con la familia anterior, que es más masiva que la primera, ésta tercera es más masiva que la segunda.

familias de partículas.

Estas partículas son las entidades o elementos básicos de la materia. Las maneras en que interaccionan entre sí están definidas por las fuerzas físicas, las cuales son cuatro fuerzas fundamentales.

CUATRO INTERACCIONES BÁSICAS (FUERZAS FÍSICAS FUNDAMENTALES):

  • LA FUERZA GRAVITATORIA.
  • LA FUERZA ELECTROMAGNÉTICA.
  • LA FUERZA FUERTE.
  • LA FUERZA DÉBIL.

Cada una de estas fuerzas tiene asociada una partícula que es como el “mensajero” de la interacción (es una partícula mediadora de fuerza):

  • El fotón es el “mensajero” (mediador) de la interacción electromagnética.
  • El gluón es el mediador de la fuerza fuerte.
  • Los bosones W y Z son los mediadores de la fuerza débil.
  • Y el gravitón (G) es el mediador de la fuerza gravitatoria.

 

Todas tienen spin entero y masa cero (excepto los bosones W y Z). Los bosones W y Z tienen spin 1. El gravitón tiene spin 2. El bosón de Higgs tiene spin 0 (en realidad no tiene spin porque el vacío no puede tener spin [giro] y por eso se da el valor cero a su spin).

Los bosones débiles tienen masa, los otros (gluones) no tienen masa. El fotón tampoco tiene masa. La interacción con el campo de Higgs es lo único que explica la masa de algunas partículas.

interaccion electromagnetica.
Este gráfico muestra dos electrones interaccionando entre sí. El intercambio de un fotón explica la interacción electromagnética en este caso.

El bosón de Higgs también interacciona consigo mismo. Es la única partícula que puede tener masa sin romper la simetría. Hay distintas contribuciones a la masa del bosón de Higgs, lo cual sugiere procesos extravagantes de cancelación de masa que no se han explicado aún.

Ahora, algunas notas sobre el campo de Higgs:

La masa se lleva mal con la simetría.

Las simetrías del Modelo Estándar parecen requerir que todas las partículas tengan masa cero. Pero renunciando a la simetría las ecuaciones se vuelven inconsistentes. Necesariamente debe haber simetría en las ecuaciones. Por lo tanto, necesitamos un mecanismo que dé masa a las partículas sin estropear la simetría. Así nace el Mecanismo de Higgs, propuesto en 1964 por R. Brout y F. Englert y finalmente por P. Higgs, de quien tomó nombre la teoría.

La teoría propone la existencia del campo de Higgs, el cual crea la masa en las partículas (la interacción de las partículas con el campo es lo que causa la masa de las partículas). Debería entonces existir el bosón de Higgs, que se define como ondas (o excitaciones) en el campo de Higgs.

El campo de Higgs llena el vacío. El experimento para descubrir el bosón de Higgs consiste en “agitar el vacío” para producir la onda en el campo de Higgs. Para agitar el vacío se emplea una máquina que acelera las partículas hasta enormes energías y las hace chocar entre sí. Esta máquina es el LHC en CERN.

El LHC (Large Hadron Collider: Gran Colisionador de Hadrones):

El LHC acelera protones hasta energías de 7 TeV (7000 Gev), esto es siete mil veces la energía cinética del protón. En cada momento hay en el anillo del LHC 300 billones de protones circulando en cada sentido (esta cantidad es la masa de una célula humana pero su energía es tan grande como la de un tren de 400 ton a 150 Km/h).

El LHC es el mayor congelador del mundo, con una masa equivalente a cinco veces la Torre Eifel, a 271,3° C bajo cero. El LHC es uno de los lugares más fríos del universo. Pero el punto donde se producen las colisiones de partículas es 100 mil veces más caliente que el interior del sol, es decir, el LHC contiene puntos que son más calientes que cualquier otra cosa en nuestra galaxia. En cada colisión se producen decenas de partículas (en realidad las colisiones ocurren entre dos gluones; es la colisión que produce el bosón de Higgs). Del estudio de estas partículas hay que inferir la existencia del bosón de Higgs.

cuando dos protones chocan.
Diagrama que muestra el choque de dos protones (vienen desde la izquierda), los cuales se desintegran dando origen a toda una serie de partículas subatómicas.

EJEMPLO 1

Chocan dos gluones, se produce un quark top, éste se desintegra produciendo un quark antitop, pero en ese breve lapso de tiempo se observa la aparición del bosón de Higgs. Luego el quark antitop se desintegra produciendo dos fotones en el proceso.

colision donde se produjo el boson de Higgs.
Un diagrama parecido al anterior. Aquí vemos el choque de dos gluones. En medio de la desintegración y aparición de las partículas menores se detecta la breve aparición del bosón de Higgs (H en la imagen). 

EJEMPLO 2

Hay colisiones que no producen bosones de Higgs. Dos quarks pueden chocar y producir fotones sin aparición del bosón de Higgs. Este tipo de colisión es mucho más abundante que el ejemplo anterior.

desintegracion de dos fotones y el boson de Higgs.
En la parte superior vemos el diagrama del choque de dos gluones, con la aparición de fotones y del bosón de Higgs (H en la imagen), en medio de los fotones. En la parte inferior sin embargo se muestra lo que ocurre la mayoría de los casos: los choques y desintegraciones no producen la aparición del bosón de Higgs.

La masa de los dos fotones que se producen por la desintegración del bosón de Higgs debería ser igual a la masa del bosón de Higgs. La masa del bosón de Higgs es de más o menos 126 Gev (que es donde se produce el pico en la gráfica de las colisiones).

el pico que prueba la existencia del boson de Higgs.
Después de repetir muchas veces el experimento y acumular los datos de cada observación, se observó un pico en la gráfica de los choques. Este pico (ubicado más o menos a la altura de los 126 GeV) demuestra la existencia del bosón de Higgs (o de algo parecido o análogo al bosón de Higgs). Si tal partícula no existiera, este pico en la gráfica no debería producirse. Pero para que se produzca el pico, el experimento debe realizarse muchas veces porque la mayoría de las veces el bosón de Higgs no aparece en las colisiones.

El bosón de Higgs se desintegra de muchas otras maneras. Las transformaciones y aparición del bosón de Higgs dura mucho menos que una millonésima de segundo.

El descubrimiento del bosón de Higgs confirma el Modelos Estándar. Pero quedan preguntas por responder. El electrón interacciona poco con el campo de Higgs y por eso tiene una masa muy pequeña (2000 veces menor que la del protón), pero el quark top interacciona mucho con el campo de Higgs y por eso tiene una masa mayor que la del electrón, pero ¿por qué algunas partículas interaccionas más con el campo de Higgs que otras? El campo de Higgs posee valores más pequeños de los previstos y no se explica todavía la estabilidad de la masa de las partículas. Esto requiere una nueva física o un modelo que vaya más allá del Modelo Estándar. Por ejemplo un modelo que incluya una explicación de la materia oscura (la cual parece estar compuesta por partículas que no pertenecen al Modelo Estándar; también la energía oscura que es más misteriosa aún que la materia oscura).

Estructura del universo observable en un gráfico

Espero ser disculpado por el autor original de este gráfico. Ha llegado a mi en inglés y no he podido rastrear quién hizo el original. Lo traduje al español para poder publicarlo aquí y en redes sociales. Lea la nota sobre el posible autor original de la ilustración al final del artículo. Es un excelente gráfico para explicar no sólo la ubicación de nuestro planeta con respecto a los objetos cósmicos que nos rodean sino también para tener una idea de lo inmenso que es el universo. Y eso que hablamos solamente del universo observable, que es sólo una parte de todo el universo.

En una discusión sobre la existencia de Federaciones o Confederaciones de Mundos (asociaciones de múltiples civilizaciones en el espacio) una persona preguntó cuántas (con)federaciones podían haber en el universo. De aquí vino el interés y la utilidad de este gráfico. Yo respondí lo siguiente: Nada más en nuestra galaxia podrían haber miles de sistemas solares con planetas habitados [1]. Dada la edad relativa de la Vía Láctea (nuestra galaxia), es muy posible que por lo menos la mitad de esas civilizaciones estén agrupadas en alguna forma de (con)federación de mundos. Eso significaría que en este momento en nuestra galaxia podría haber cientos (por ejemplo, quinientas) (con)federaciones de mundos. Habría que realizar un cálculo similar con las galaxias del Cúmulo de Virgo, el cúmulo de galaxias a la cual pertenece la Vía Láctea. Algunas de ellas son más pequeñas que la nuestra, otras son más grandes, pero la edad relativa de todas es bastante similar, según tengo entendido. Entonces, en promedio, para cualquier galaxia del tamaño aproximado de la nuestra y de la edad aproximada de la nuestra, podríamos asumir el mismo número de (con)federaciones que calculamos para la Vía Láctea, digamos quinientas en este momento [2]. Ahora, en el universo observable hay cientos de millones de galaxias como la nuestra, por lo que deberíamos multiplicar ese número por quinientos, y el resultado sería el número de (con)federaciones que hay en el universo observable solamente en las galaxias que se parecen a la nuestra.

Ahora veamos el gráfico…

estructura-del-universo-observable-desde-la-tierra

Comenzamos arriba a la izquierda, con la Tierra, el planeta donde vivimos. En número 2 vemos el Sistema solar, dentro del cual la pequeña Tierra orbita, bastante cerca del Sol y sin ser uno de los planetas más grandes del sistema. En el número 3 vemos el Vecindario Solar, un volumen con un radio de 60 años-luz aproximadamente. Este volumen incluso 66 estrellas cercanas al Sol que forman 50 sistemas estelares [3]. La Vía Láctea es tan grande que nuestro Vecindario Solar es sólo un pequeño punto en medio de uno de esos majestuosos brazos que vemos en la ilustración del número 4. El diámetro medio de nuestra galaxia es de 100.000 años-luz, y contiene entre 200.000 y 400.000 millones de estrellas [4]. Yo en verdad creo que nuestro cálculo de quinientas (con)federaciones de mundos se queda corto para nuestra galaxia.

Pero la cosa no se termina allí. Por muy grande que sea nuestra galaxia, tanto que nos cuesta imaginarlo, ella no es más que un pequeño disco de luz dentro del Grupo Local de Galaxias, número 5, una agrupación de unas 33 galaxias. Los grupos de galaxias se acercan entre sí formando una especie de racimo o filamento de galaxias. El “racimo” o “filamento” dentro del cual está nuestra galaxia se llama el Supercúmulo de Virgo, número 6 en el gráfico. El Supercúmulo de Virgo o Supercúmulo Local, como también se le llama, contiene aproximadamente cien grupos de galaxias, y su tamaño es tan grande que ya no podemos seguir hablando de años-luz porque nos quedamos cortos. Aquí tenemos que hablar ahora de megaparsecs. Por ejemplo, la longitud de este filamento de grupos de galaxias que llamamos Supercúmulo de Virgo es de unos 33 megaparsecs, que en años-luz son unos 107 millones. Según lo que han observado los astrónomos, astrofísicos y cosmólogos, todas las galaxias en el universo se agrupan en este patrón o esquema de “filamento” o “racimo”, con inmensas “burbujas” o espacios vacíos, lo cual podemos ver bien en el número 7, los Supercúmulos Locales. Esta estructura se repite en el universo hacia todas las direcciones en que observamos, y le da al universo una apariencia de “tejido”, como el tejido que forman las neuronas en el cerebro. Mira por ejemplo la siguiente imagen comparativa:

original_brain-and-universe

Aunque se trata de un gráfico generado por computadora (no una fotografía), se sabe que los supercúmulos locales se agrupan así, como en la imagen de la derecha, algo que se parece mucho a cómo se agrupan las neuronas en el cerebro (imagen de la izquierda).

Para terminar, el Universo Observable, número 8, es un campo infinito (puesto que no hemos descubierto sus límites o bordes o finales). Este campo infinito está lleno de estos filamentos o racimos que son los Supercúmulos de galaxias. Parece ser siempre lo mismo en todas direcciones, es decir, que la estructura del universo es homogénea por lo menos a una escala realmente cósmica. En esa imagen de número 8, ¿puedes imaginarte a la Tierra, allí como un punto minúsculo dentro de ese entramado de filamentos de galaxias? ¡Ni siquiera! Un punto apenas en esa estructura gigantesca es nuestro Grupo Local de Galaxias. Y la Tierra no es más que apenas un punto minúsculo dentro de este Grupo Local.

Creo que necesitamos mentes de varios gigas de RAM para poder siquiera visualizarlo.

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[1] Es curioso cómo cambian los paradigmas. ¿Acaso no es cierto que en el ámbito científico/académico, en las décadas de 1950 a 1980, los científicos consideraban que la vida biológica era tan especial, tan rara, que el número de planetas habitados solamente en nuestra galaxia debía ser muy reducido? De allí por ejemplo la presuposición de Isaac Asimov, en su serie de novelas Fundación, de que en nuestra galaxia el único planeta donde apareciera vida biológica hubiera sido el nuestro. Con el cambio de milenio los científicos se han abierto un poco más y ahora son varios los que admiten la verosimilitud de la idea de que la vida biológica se produzca en realidad con bastante frecuencia y facilidad en una galaxia grande y adulta como la nuestra. El paradigma ahora es aceptar la posibilidad real de que la vida biológica sea tan abundante (debido a la suposición lógica de que las civilizaciones avanzadas se propagan y colonizan los mundos inhabitados) que solamente en nuestra galaxia haya varios miles de planetas habitados por seres vivos biológicos.

[2] En base a lo que expresamos en la nota anterior, si el número de mundos habitados es de varios miles, entonces el número de (con)federaciones en nuestra galaxia aumentaría proporcionalmente. Ya no tendríamos que hablar de quinientas sino de mil o dos mil o tres mil, lo cual parece un número impresionante para sólo una galaxia. Pero cuando uno analiza el gráfico que explicamos aquí en este artículo, lo grande que es solamente nuestra galaxia, un número de tres mil (con)federaciones en verdad no resulta exagerado.

[3] Una lista estándar del Vecindario Solar está disponible en Wikipedia con la lista de estrellas:

https://es.wikipedia.org/wiki/Anexo:Estrellas_m%C3%A1s_cercanas

[4] El artículo de Wikipedia sobre la Vía Láctea también es muy bueno, para comenzar a estudiar el tema:

https://es.wikipedia.org/wiki/V%C3%ADa_L%C3%A1ctea

El gráfico original en inglés:

science-outer-space-galaxies-solar-system-earth-milky-way-diagram-solar-interstellar-neighborhood-lo-images-478811

Al parecer, este gráfico es una re-elaboración de una ilustración original de Andrew Z. Colvin, la cual encontramos en la siguiente página de Wikipedia:

Exposición sobre la energía oscura

Sigo viendo las conferencias del Instituto de Física Teórica IFT. Ésta se llama:

BigBOSS: Iluminando la Energía Oscura del Universo (Francisco Prada)

La energía oscura repele. La gravedad atrae. La gravedad es una fuerza realmente muy tenue que coexiste con la materia bariónica, es decir, con la masa de materia ordinaria. Entonces, ¿podría ser la energía oscura (definida como presión cósmica) una forma de antimateria que, de manera análoga a la materia bariónica coexiste con una fuerza (la gravedad) que, en el caso de la energía oscura sería algún tipo de antigravedad o contragravedad? ¿Y si la energía oscura en realidad es la fuerza, a niveles cósmicos, producida por inmensas nubes intergalácticas de “antienergía” o antimateria en su forma mínima de expresión? Quizás los cúmulos de galaxias producen chorros de esta “antienergía” o antimateria, la cual se va acumulando a lo largo del tiempo en las burbujas vacías que existen entre filamentos de galaxias. Digo, si de acuerdo a lo que se ha observado, la materia bariónica y la materia oscura eran más abundantes en el pasado del universo, y con el tiempo ha ido aumentando la presencia de la energía oscura, lo que se me ocurre imaginar es que, con el paso del tiempo ocurre algún tipo de transmutación de la materia bariónica y de la materia oscura en las galaxias y dicha transmutación es la productora de energía oscura, la cual se va acumulando a medida que el universo envejece.

Quizás al final de todo, la repulsión de la energía oscura y el compactamiento de la materia del universo llegan a un punto extremo en el cual los filamentos de galaxias se comprimen (porque, a pesar de la energía oscura, la gravedad gana la batalla en las regiones de los filamentos) y entonces… No sé. A partir de aquí mi pensamiento se pierde.